四余度舵機(jī)伺服系統(tǒng)的Simulink仿真與分析

王平軍， 熊 寬， 江 華， 李彥波， 李昌范

（1.空軍工程大學(xué) 航空航天工程學(xué)院，陜西 西安 710038；2.合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

舵機(jī)是飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其功用是按照放大器的控制信號(hào)，以一定的輸出速度和輸出力去推動(dòng)飛機(jī)的舵面偏轉(zhuǎn)［1］。飛機(jī)平尾舵機(jī)由2套相互獨(dú)立的液壓舵機(jī)組件、通道轉(zhuǎn)換裝置和液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。

余度技術(shù)也稱冗余技術(shù)或容錯(cuò)技術(shù)，它是指系統(tǒng)對(duì)故障的容忍技術(shù)，即處于工作狀態(tài)的1個(gè)或多個(gè)關(guān)鍵部件發(fā)生故障或出錯(cuò)時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)檢測(cè)與診斷，并能采取相應(yīng)措施保證系統(tǒng)維持規(guī)定功能或保持其功能在可接受范圍內(nèi)的技術(shù)［2－3］。隨著飛機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展，余度舵機(jī)技術(shù)已經(jīng)成為飛行器保證飛行安全和操控性的關(guān)鍵技術(shù)之一。余度舵機(jī)的備份系統(tǒng)工作時(shí)對(duì)舵機(jī)性能影響的相關(guān)研究報(bào)道很少。因此，本文針對(duì)四余度電液伺服閥工作時(shí)，對(duì)舵機(jī)的性能影響進(jìn)行了仿真分析。

1 余度平尾舵機(jī)伺服系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立

某平尾舵機(jī)為四余度電液伺服閥控制，整個(gè)平尾舵機(jī)伺服系統(tǒng)由電磁切斷閥、故障檢測(cè)器、2級(jí)伺服放大器、電液伺服閥和其控制的小活塞、主控閥、故障安全轉(zhuǎn)換閥、回中機(jī)構(gòu)、串聯(lián)雙腔作動(dòng)筒以及安裝在小活塞和作動(dòng)筒上的位移傳感器組成［4－5］。在系統(tǒng)電液伺服閥沒(méi)有發(fā)生故障時(shí)，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)某一系統(tǒng)的電液伺服閥發(fā)生故障時(shí)，與該電液伺服閥同系統(tǒng)的備份電液伺服閥會(huì)在電磁切斷閥的作用下開(kāi)始工作，故障的電液伺服閥處于隨動(dòng)狀態(tài)。

圖1 平尾舵機(jī)伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

當(dāng)某一系統(tǒng)的2個(gè)電液伺服閥同時(shí)發(fā)生故障時(shí)，機(jī)載計(jì)算機(jī)通過(guò)故障檢測(cè)器和電磁切斷閥切斷該系統(tǒng)的供壓，使其處于隨動(dòng)狀態(tài)。

當(dāng)系統(tǒng)中有3個(gè)或者3個(gè)以上的電液伺服閥發(fā)生故障時(shí)，機(jī)載計(jì)算機(jī)切斷該舵機(jī)的工作，通過(guò)回中機(jī)構(gòu)，使舵機(jī)處于中立位置。其工作原理如圖2所示。

圖2 四余度平尾舵機(jī)工作原理圖

經(jīng)過(guò)推算，電液伺服閥的傳遞函數(shù)［6］為：

對(duì)于液壓舵機(jī)，其工作頻率一般都在20Hz以下的低頻段，用慣性環(huán)節(jié)表示伺服的動(dòng)態(tài)響應(yīng)已足夠精確。查找有關(guān)技術(shù)手冊(cè)得到電液伺服閥的流量增益KQSV＝2333mm3／（s·mA），電液伺服閥的時(shí)間常數(shù)TQSV＝0.00245s，由此得到電液伺服閥的傳遞函數(shù)為：

主控閥由受電液伺服閥控制的小活塞和主控閥閥芯組成，主控閥的閥芯控制分配2個(gè)液壓系統(tǒng)的流量，控制雙腔串聯(lián)作動(dòng)筒的運(yùn)動(dòng)。小活塞控制主控閥的開(kāi)度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電液伺服閥對(duì)流量的控制，最終實(shí)現(xiàn)液壓放大器的功能。因此，主控閥可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化成平板滑閥的結(jié)構(gòu)模型。

主控閥輸出流量方程［1］為：

舵機(jī)大作動(dòng)筒的傳遞函數(shù)［1］為：

小活塞作動(dòng)筒的有效面積A1＝97.34mm2，平尾作動(dòng)筒活塞有效面積A2＝3570mm2，由此可得舵機(jī)作動(dòng)筒的傳遞函數(shù)為：

平尾作動(dòng)筒的傳遞函數(shù)為：

2 平尾舵機(jī)伺服系統(tǒng)仿真模型的建立

根據(jù)相關(guān)技術(shù)手冊(cè)，得到舵機(jī)伺服系統(tǒng)參數(shù)。外回路伺服放大器增益為（10.5±5）%V／V，內(nèi)回路伺服放大器增益為（12±5）%mA／V，內(nèi)回路反饋傳感器輸出梯度增益為（1.25±10）%V／mm，內(nèi)回路反饋傳感器解調(diào)器放大系數(shù)為0.75，校正傳感器對(duì)內(nèi)回路的影響系數(shù)為1.8，主控閥開(kāi)度梯度為2.5（°）／mm，主控閥閥流量增益為7.6×104mm3／（（°）·s），平尾作動(dòng)筒反饋傳感器輸出梯度為（0.17±0.025）V／mm，平尾作動(dòng)筒反饋傳感器解調(diào)器放大系數(shù)為0.55。

利用Matlab中的Simulink建模工具［7］，容易得到平尾舵機(jī)伺服系統(tǒng)在無(wú)故障時(shí)的Simulink仿真模型，如圖3所示。當(dāng)某個(gè)電液伺服閥發(fā)生故障時(shí)，安裝在該舵機(jī)內(nèi)回路反饋回路的故障檢測(cè)器將其輸出量傳遞到機(jī)載計(jì)算機(jī)上，由機(jī)載計(jì)算機(jī)通過(guò)電磁切斷閥切斷該伺服閥，隔離該通道的工作，轉(zhuǎn)換到與其同系統(tǒng)的電液伺服閥工作［5］。當(dāng)同一系統(tǒng)的2個(gè)電液伺服閥均發(fā)生故障時(shí)，機(jī)載計(jì)算機(jī)切斷該通道的工作，使其處于隨動(dòng)狀態(tài)。因此，該型舵機(jī)具有單通道液壓故障能力。當(dāng)舵機(jī)的主控閥響應(yīng)速度低于門(mén)限值，或者舵機(jī)電液伺服閥的供油壓力差低于門(mén)限值時(shí)，舵機(jī)的故障檢測(cè)器向機(jī)載計(jì)算機(jī)發(fā)出故障指令。

圖3 平尾舵機(jī)伺服系統(tǒng)的Simulink仿真模型

根據(jù)相關(guān)技術(shù)手冊(cè)，電液伺服閥的輸出位移為7mm，當(dāng)某一電液伺服閥的輸出超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值的14%，或供油壓力低于3.5MPa，或電液伺服閥控制電流超過(guò)0.85mA，或主控閥的閥芯速度低于21.7mm／s時(shí)，機(jī)載計(jì)算機(jī)將接收到故障檢測(cè)器發(fā)出的故障信號(hào)，并做出相應(yīng)的處理——該電液伺服閥的旁通閥開(kāi)始工作，同時(shí)備份閥開(kāi)始工作。當(dāng)僅有一個(gè)電液伺服閥發(fā)生故障時(shí)，所引起的瞬態(tài)位置變化不應(yīng)該超過(guò)額定行程的8%。當(dāng)任何一對(duì)電液伺服閥發(fā)生故障時(shí)，由于故障引起的位置瞬態(tài)不應(yīng)超過(guò)額定行程的40%及額定速度的55%。

在模型中，利用階躍信號(hào)模擬故障電液伺服閥的輸出，當(dāng)故障檢測(cè)器檢測(cè)到某一電液伺服閥發(fā)生故障時(shí)，備份閥開(kāi)始工作；同時(shí)檢測(cè)器改變舵機(jī)內(nèi)回路的電氣搖臂的支點(diǎn)位置，即改變其傳動(dòng)系數(shù)，將其切換到4.5mm／mm。當(dāng)舵機(jī)的一對(duì)電液伺服閥發(fā)生故障時(shí)，機(jī)載計(jì)算機(jī)將該供壓系統(tǒng)旁通的同時(shí)，電氣搖臂傳動(dòng)系數(shù)轉(zhuǎn)換為3mm／mm。利用階躍信號(hào)模擬電液伺服閥的故障輸出，其仿真圖如圖4～圖8所示。

圖4 四余度電液伺服閥的舵機(jī)模型

圖5 圖4中Subsystem1、Subsystem3的封裝結(jié)構(gòu)

圖6 圖5中Subsystem的封裝結(jié)構(gòu)

圖7 圖5中Subsystem1備份閥的封裝結(jié)構(gòu)

圖8 圖6、圖7中Subsystem的封裝結(jié)構(gòu)

3 仿真結(jié)果分析

針對(duì)電液伺服閥故障的可能性，分別做了沒(méi)有電液伺服閥故障，有1個(gè)、2個(gè)和3個(gè)電液伺服閥故障時(shí)舵機(jī)的響應(yīng)曲線，如圖9中曲線1、曲線2、曲線3和曲線4所示，其中曲線1、曲線2基本重合。對(duì)1個(gè)和2個(gè)電液伺服閥故障進(jìn)行仿真時(shí)，為了能更好地了解故障性能，將故障起始時(shí)間設(shè)為0s。對(duì)有3個(gè)電液伺服閥故障進(jìn)行仿真時(shí)，必須是在舵機(jī)穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，舵機(jī)的回中機(jī)構(gòu)才能工作，因此，將舵機(jī)的故障時(shí)間設(shè)為0.3s。

由仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)有1個(gè)電液伺服閥發(fā)生故障時(shí)，舵機(jī)的響應(yīng)曲線和無(wú)故障時(shí)舵機(jī)的響應(yīng)曲線基本重合，說(shuō)明只有1個(gè)電液伺服閥發(fā)生故障時(shí)，舵機(jī)能利用備份的電液伺服閥進(jìn)行工作，保證了舵機(jī)的性能基本不發(fā)生變化。當(dāng)同一個(gè)系統(tǒng)的2個(gè)電液伺服閥均發(fā)生故障時(shí)，機(jī)載計(jì)算機(jī)將關(guān)閉供壓系統(tǒng)的工作，使其處于隨動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)舵機(jī)只有另一供壓系統(tǒng)工作。當(dāng)只有1個(gè)供壓系統(tǒng)工作時(shí)，舵機(jī)的響應(yīng)速度會(huì)降低，從圖中可以看出舵機(jī)的調(diào)節(jié)時(shí)間從0.35s增加到0.45s，舵機(jī)的響應(yīng)速度降低了22%。對(duì)于單系統(tǒng)工作的舵機(jī)，其穩(wěn)態(tài)值并沒(méi)有改變，因此，對(duì)于飛行器而言，操控面的偏轉(zhuǎn)角度并沒(méi)有改變，從而保證了在單系統(tǒng)供壓的情況下，飛行器具有良好的操控性能。當(dāng)舵機(jī)有3個(gè)電液伺服閥同時(shí)發(fā)生故障時(shí)，機(jī)載計(jì)算機(jī)會(huì)使舵機(jī)自動(dòng)回到中立位置，并且通過(guò)回中機(jī)構(gòu)保持舵機(jī)處于中立位置，保證了飛行器的飛行安全。

圖9 舵機(jī)單位階躍響應(yīng)曲線

為了進(jìn)一步地分析舵機(jī)在不同工作狀態(tài)下的穩(wěn)定性和頻率特性，需要做出舵機(jī)在各個(gè)狀態(tài)下的頻率特性曲線［8］，如圖10所示。其中曲線1、曲線2、曲線3分別為無(wú)故障、同系統(tǒng)的2個(gè)電液伺服閥故障和3個(gè)電液伺服閥故障時(shí)舵機(jī)的頻率特性曲線。

圖10 不同工作狀態(tài)下舵機(jī)的頻率特性曲線

經(jīng)過(guò)仿真，當(dāng)舵機(jī)1個(gè)電液伺服閥發(fā)生故障時(shí)，舵機(jī)的相頻特性曲線基本沒(méi)有變化，幅頻特性曲線經(jīng)過(guò)穿越頻率后，向左下方稍有移動(dòng)。當(dāng)舵機(jī)某個(gè)供壓系統(tǒng)的2個(gè)電液伺服閥同時(shí)發(fā)生故障時(shí)，舵機(jī)的幅頻特性曲線隨著穿越頻率向左下方移動(dòng)，其特性變化見(jiàn)表1所列。

表1 不同工作狀態(tài)下舵機(jī)的頻率特性

由表1可知，當(dāng)舵機(jī)的某個(gè)電液伺服閥發(fā)生故障時(shí)，舵機(jī)的幅值裕度并沒(méi)有發(fā)生變化，舵機(jī)的相角裕度會(huì)略微減少。而當(dāng)某個(gè)系統(tǒng)的2個(gè)電液伺服閥均發(fā)生故障時(shí)，舵機(jī)的相角裕度會(huì)降低，轉(zhuǎn)折頻率會(huì)有較大的提前。但是舵機(jī)的幅值裕度保持不變，穿越頻率在很小的范圍內(nèi)變化。由此可見(jiàn)，采用余度技術(shù)之后的舵機(jī)，當(dāng)有故障發(fā)生時(shí)，能夠有效地保證舵機(jī)的基本性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

在舵機(jī)的實(shí)際使用過(guò)程中，會(huì)有各種突發(fā)情況，如飛機(jī)供壓降低及電液伺服閥電壓不穩(wěn)定等，都會(huì)使舵機(jī)的輸出產(chǎn)生較大誤差。電液伺服閥余度舵機(jī)可以有效地檢查、隔離故障元件，保證舵機(jī)具有良好的操控性，從而保證飛行器的操控性和飛行安全，因此，余度舵機(jī)具有很好的可靠性和安全性。

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